双曲拱桥加固实践

摘　要:双曲拱桥结构整体性差,施工质量变异大,是桥梁加固中经常遇到的桥型之一,文章结合安徽怀宁至太湖公路朱树桥加固 改造工程实践,阐述了双曲拱桥的主要病害、病害成因及加固方法。 

关键词:双曲拱桥,桥梁病害,加固,桥梁加固,加固工程

我国20 世纪60～70 年代修建了大量的双曲拱 桥,但由于当时交通量小,车辆荷载低,故设计标准也 较低。随着我国交通事业迅速发展,交通量不断增大 及车辆荷载的增加,使得现有的双曲拱桥己经很难适 应现代化交通运输的需要,不少己经服役多年的双曲 拱桥开始出现了较为严重的病害[1 ] 。而在病害发展 过程中又缺乏必要的维修养护,使结构承载能力进一 步降低,致使许多双曲拱桥己成为危桥,严重影响了 正常的交通,因此对双曲拱桥进行加固处理、提高其 承载能力具有重大意义[224 ] 。本文以安徽怀宁至太湖 公路朱树桥加固为例,提出旧双曲拱桥的加固方法和 措施,供类似加固工程参考。 

1 　工程概况 

安徽怀宁至太湖公路朱树桥于1974 年10 月建 成通车, 设计荷载为汽车215 级, 挂车280 , 全长 50. 0 m ,桥面全宽8. 0 m ,行车道净宽7. 0 m。上部 结构为1 ×30 m 无铰双曲拱,横向由8 条C25 混凝 土拱肋组成,拱肋间采用C25 混凝土预制拱波砌筑 并在拱波上现浇C25 混凝土拱板,形成横向连接。 主拱每端设置3 个腹拱,边腹拱为三铰拱,其余为两 铰拱。拱轴线为悬链线,净矢跨比为1/ 6 , 拱轴系数 为2. 814 ;下部构造采用U 型桥台、扩大基础。 

2 　主要病害及成因分析 

2. 1 　主要病害 经过现场实地调查、检测,该桥下部结构较完好, 桥台稳定;上部结构出现了明显病害,主要表现在以 下几个方面: (1) 拱脚上缘负弯矩裂缝:在两端拱脚拱背部位 出现3～4 条横桥向裂缝,最大缝宽达3. 5 mm。拱 脚裂缝明显减弱拱脚的嵌固作用,使拱圈受力与设计 的假设条件不同,同时使拱顶截面应力增大,加速拱 顶开裂。 (2) 主拱圈小拱波出现两条纵向裂缝,裂缝宽度 0. 2～4 mm 不等,开裂范围分布在拱脚至第三腹拱 墩拱跨区段,由小拱波拱顶上缘裂至拱板上缘,将拱 圈分成为三个分离的部分,严重地削弱拱圈横向整体 性,活载不能全宽分布,降低了承载能力。 (3) 拱肋在拱顶附近产生多条径向裂缝。裂缝 分布在拱顶拱肋下部,由下向上延伸,下宽上窄,最严 重的延伸到拱肋顶,缝宽0. 15～0. 8 mm ;同时,经量 测拱顶部位出现2. 1 cm 下沉,两边拱肋纵向钢筋有 锈胀开裂现象。 (4) 横系梁裂缝:由于横系梁比较单薄,横系梁 与拱肋接头处,大都存在不同程度的裂缝。 (5) 桥面病害:沥青碎石桥面铺装普遍存在纵横 开裂、多处出现坑槽现象,且在多年的养护使用过程 中,桥面因翻修、修补等原因,现桥面较原设计桥面平 均加厚了21 cm ,致使恒载加大,造成主拱圈各截面 内力增大,降低了原结构的承载能力。 

2. 2 　病害成因分析 (1) 设计荷载标准偏低,承载能力不足。该桥修 建于20 世纪70 年代,设计荷载为汽车215 级,挂车 280 。随着交通量的增加和荷载等级的提高,原有桥梁 已经无法满足现今交通的需要,致使桥梁结构出现不同程度的病害。 (2) 横向联系比较薄弱、荷载横向分布很不均 匀,造成拱波顶开裂。波顶开裂又将拱圈分成为几个 “分离”的部分,从而进一步地削弱拱圈横向整体性, 使活载不能全宽分布,降低了承载能力。 (3) 主拱圈正截面尺寸偏小。由于双曲拱桥的 设计过分强调节省材料,即主拱圈截面均采用了过小 的截面尺寸、较少的配筋与较低的混凝土标号。由于 双曲拱桥多采用无支架施工法,这就决定拱肋除要承 担自身重量外,还要承担架设拱波、拱板时所产生的 应力,只有拱板浇筑完成并达到一定强度后,方能共 同承担拱上恒载及活载。由于拱肋前期应力累积太 大,故较小截面尺寸的拱肋及很小的配筋使得拱圈正 截面强度严重不足,容易出现病害。 

3 　桥梁加固方案 

桥梁加固的基本思路,是最大限度利用现有结构进行加固,主要通过提高整体刚度、改善荷载的横向分布、 加大控制截面尺寸等桥梁加固措施以提高拱肋抵抗跨中 正弯矩和拱脚负弯矩能力,以求达到恢复该桥原有设 计荷载等级的要求[527 ] 。 

3. 1 　混凝土裂缝处理 首先对全桥混凝土构件的裂缝进行修补。当裂 缝宽度小于0. 15 mm 时:清除混凝土表面粉尘、油 污,并用水冲洗表面,用ZV 胶与水泥按1 ∶1 的比例 配制聚合物水泥浆并对裂缝所在区域涂刷3～4 道, 保证前后两次涂刷的方向相互垂直;当裂缝宽度大于 等于0. 15 mm 时:首先封闭裂缝,跨缝安置注浆嘴 (保证至少2 个) 并严格按照施工工艺要求注入裂缝 修补胶,待注入材料凝结后,铲去裂缝表面和封缝材 料并清理混凝土表面。 

3. 2 　加强拱脚截面 为了有效地加强拱脚截面,采用钢筋混凝土加强 拱背的方法,如图1 所示。混凝土强度采用C30 ,在 拱脚截面处厚度为25 cm ,在2 号腹拱墩处厚度为 15 cm ,其间逐渐变化。主筋( 纵向钢筋) 为直径 16 mm的HRB335 钢筋,间距为20 cm。穿过腹拱墩 并锚入拱座内40 cm ; 分布钢筋(横向钢筋) 为直径 10 mm的R235 钢筋,间距为30 cm ;锚固钢筋(按径 向布置) 植于拱板上面,可增强新老混凝土的联结,也 起着架立钢筋的作用.

 采用图1 的方法加强拱脚,可显著增大拱脚区段 的截面刚度,在受力方面,有变截面无铰拱的特性。 与等截面无铰拱比较,变截面无铰拱拱脚的负弯矩随 拱脚刚度的增加而增大,对拱顶的正弯矩有“卸载”的 作用,即拱脚刚度愈大,拱顶的正弯矩愈小。在加强 拱脚这个控制截面的同时,实际上也帮助了拱顶截 面,即减少了拱顶截面的正弯矩。因此这种桥梁加固方法 有利于改善拱脚、拱顶两个控制截面的受力状态,提 高拱桥的承载能力。 

3. 3 　加强拱肋及拱波截面 在拱肋底面和两侧面外包钢筋网并喷射10 cm 厚的C30 混凝土,在拱波的底面挂钢筋网喷射8 cm 厚的C30 混凝土,如图2 所示。

3. 4 　增强横向联系 由于双曲拱桥“化整为零”的施工方法,截面的整 体性较差,因此增强横向联系非常重要。 原横系梁截面尺寸明显偏小, 仅为15 cm × 15 cm ,横向联系比较薄弱。为了增强横向联系,将 原横系梁均改为横隔板,其截面尺寸改为30 cm × 52 cm ,在横隔板下部布设3 根直径为20 mm 的HRB335 钢筋。增强横向联系之后,可使荷载在横桥 向分布比较均匀,避免因横向联系不足而产生的各种 病害。 

3. 5 　修复桥面及加固验算 对称凿除原桥面铺装及部分拱上填料,以降低拱 上填料厚度、恢复原桥面标高。为加大桥面刚度,新 桥面采用钢筋混凝土,厚为15 cm ,桥面钢筋采用直 径为12 mm 的HRB335 钢筋,纵横间距均为10 cm。 加大截面后,按照文献[ 8 ] ,采用平面杆系软件 Dr . Bridge3. 0 对各截面强度进行验算。结果表明: 在承载能力极限状态荷载组合I 强度验算结果及在 正常使用极限状态荷载组合II 裂缝验算结果均满足 要求,表明该桥采用的加固方案完全能满足公路II 级的荷载等级要求,达到了预期的加固效果。 

4 　结束语 

(1) 我国20 世纪60～70 年代修建的双曲拱桥虽不 能满足现代交通要求,但通过维修加固仍可使用。 (2) 在对桥梁进行维修加固前,必须全面掌握桥 梁结构现状,尽可能收集完善基础资料。 (3) 对于墩台稳定的双曲拱桥,通过加大拱肋拱 波截面、增强横向联系进行加固,可满足提载后的通 行要求。

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